Il principio antropico


LE LEGGI DETERMINISTICHE DELLA FISICA CLASSICA

Avete mai assistito alla scena di un cacciatore che manca il bersaglio? A parte la soddisfazione, se siete contro la caccia, di vedere la lepre salvarsi e darsela a gambe, forse avrete anche pensato che l’errore nel tiro sia dipeso unicamente dal fatto che il cacciatore avesse puntato male l’arma. Certamente non vi sarà passata per la mente l’idea che la preda possa essere stata mancata perché il proiettile, una volta uscito dalla canna del fucile, ha seguito poi una traiettoria irregolare.

A questa conclusione si perviene perché istintivamente abbiamo una grande fiducia nelle leggi della fisica e siamo profondamente convinti che queste leggi siano precise e immutabili. Allo stesso modo la pensavano i fisici dell’altro secolo, i quali erano anch’essi così sicuri della bontà delle leggi fisiche note a quel tempo da ritenere che qualora si fosse riusciti a determinare lo stato fisico di un fenomeno e le leggi che lo regolano, sarebbe poi stato possibile, applicando quelle leggi, prevedere ogni futura evoluzione di quel fenomeno.

Le leggi del moto dei corpi furono definite da Isaac Newton alla fine del diciassettesimo secolo, ma in realtà erano già note, anche se in modo superficiale, fin dall’antichità. Qualunque cacciatore primitivo infatti certamente doveva aver capito che una pietra lanciata da una fionda o una freccia scoccata da un arco non avrebbero mai potuto procedere a zigzag seguendo una traiettoria capricciosa e casuale, ma erano destinate a viaggiare in linea retta lungo un percorso regolare e prevedibile. Egli doveva anche sapere che una eventuale imprecisione nel tiro poteva dipendere unicamente da un errore all’atto del lancio.

Espresse sotto forma di equazioni matematiche le leggi del moto di Newton stabiliscono che la traiettoria di un corpo che si muove nello spazio è determinata dalle forze che agiscono su di esso, una volta fissate posizione e velocità in un determinato istante. Ma vediamo, prima di procedere, in che cosa consista esattamente l’operazione di determinazione della traiettoria di un corpo.

Se di un corpo in movimento siamo in grado di fissare, istante per istante, le posizioni che sono assunte lungo il tragitto, allora, di quel corpo, stiamo fornendo la traiettoria. Naturalmente determinare punto per punto e istante per istante la posizione di un corpo nello spazio, equivale a conoscerne anche la velocità. In definitiva, la conoscenza della traiettoria di un corpo nello spazio implica la conoscenza simultanea della sua posizione e della sua velocità. Ora, senza essere costretti a seguire visivamente lo spostamento di un corpo in movimento, è possibile determinare a tavolino la sua traiettoria utilizzando le leggi di Newton. E’ sufficiente infatti misurare velocità e posizione di quel corpo in un determinato istante, e applicare quindi su di esso le leggi del moto.

Newton dimostrò che anche i corpi celesti ubbidiscono alle stesse leggi che regolano il moto dei corpi terrestri e, grazie a quelle leggi, fu possibile prevedere con sempre maggiore precisione le posizioni che avrebbero assunto in cielo i pianeti e gli altri astri.

Un primo grosso successo della fisica newtoniana si ebbe nel 1845 quando l’astronomo francese Urbain-Jean-Joseph Le Verrier calcolò la posizione di un ipotetico pianeta che avrebbe dovuto essere la causa delle irregolarità che si riscontravano nella traiettoria di Urano intorno al Sole. Si pensava infatti che le anomalie di percorso di Urano, l’ultimo pianeta del sistema solare noto a quel tempo, avrebbero potuto dipendere dalla presenza di qualche corpo sconosciuto che agisse su di esso. Il 23 settembre 1846 lo scienziato tedesco Johann Gottfried Galle, dal nuovo Osservatorio astronomico di Berlino, servendosi della predizione di Le Verrier sulla sua posizione, osservò effettivamente un nuovo pianeta ad una distanza inferiore di solo un grado dal punto previsto. A questo pianeta in seguito fu dato il nome di Nettuno.

I successi nella previsione delle traiettorie dei pianeti, conseguenti all’applicazione delle leggi del moto di Newton, furono talmente tanti che si finì per ritenere che sarebbe stato possibile determinare con precisione assoluta il moto di qualsiasi oggetto celeste qualora fossero note tutte le forze in gioco. Questa assunzione trovò una mirabile conferma nella elaborazione delle cosiddette “effemeridi”, cioè di quelle tavole su cui erano riportate le coordinate degli astri in cielo ad intervalli determinati di tempo. Le effemeridi vengono determinate appunto con calcoli di meccanica, partendo da dati di osservazione, e come abbiamo detto, permettono di prevedere le posizioni che saranno assunte dai corpi celesti in tempi successivi.

Sull’onda dell’entusiasmo per i risultati conseguiti, si pensò che le leggi di Newton potessero essere applicate a qualsiasi oggetto o frammento di materia, e perfino ai singoli atomi. Da questo assunto fu dedotta una conclusione sorprendente che il matematico e astronomo francese Pierre-Simon de Laplace (1749-1827) sintetizzò nel modo seguente: “Se la posizione e la quantità di moto (massa per velocità) di una particella fossero noti con precisione in un istante dato, allora, conoscendo tutte le forze agenti sulla particella stessa, il suo moto sarebbe determinato, in modo univoco, in tutti gli istanti successivi, dalle equazioni della meccanica”.

In altre parole, l’asserzione di Laplace voleva significare che se fosse stato possibile analizzare i dati relativi alla posizione e alla velocità di tutte le molecole e di tutti gli atomi presenti nell’Universo sarebbe poi stato possibile prevederne gli urti e le accelerazioni conseguenti, e quindi stabilire i movimenti futuri di tutte queste particelle. Ma una volta noti tutti gli spostamenti delle particelle che compongono i corpi materiali risultava definita anche l’evoluzione futura di questi corpi, dai più piccoli ai più grandi.

Naturalmente i fisici dell’Ottocento non erano in grado di prendere misure e di fare calcoli di tale complessità (e non lo sarebbero nemmeno quelli di oggi, nonostante le apparecchiature e i calcolatori potentissimi di cui dispongono), tuttavia l’affermazione di Laplace rimaneva valida da un punto di vista teorico e implicava che tutto ciò che è accaduto in passato e tutto ciò che accadrà in futuro è stato determinato fin dal suo inizio. In seguito a questa scoperta si comprese che nulla, nell’Universo, era lasciato al caso.

In questa visione il Cosmo intero veniva ridotto ad una specie di gigantesco meccanismo ad orologeria, in cui ogni elemento eseguiva con precisione matematica delle istruzioni programmate da sempre e la cui dinamica era perfettamente determinata. All’interno di un Universo di questo tipo non doveva esistere libertà per nessuno, nemmeno per l’uomo, in quanto anch’egli corpo materiale soggetto alle stesse leggi che regolano l’Universo fisico.

La concezione deterministica dell’Ottocento rispecchiava, in un certo senso, l’esigenza umana di certezza in un mondo mutevole e capriccioso. Il caso veniva definitivamente allontanato dai pensieri dell’uomo e ogni cosa evolveva, indipendentemente dai suoi desideri e dalla sua volontà, con assoluta precisione. Con il nuovo secolo appena concluso però la visione del mondo fisico cambia profondamente e come era già accaduto in altre occasioni, una teoria che appariva coerente e in grado di spiegare in modo logico e certo i fatti sperimentali, si rivelerà invece inadeguata quando verrà spinta oltre i limiti sperimentali entro i quali era stata stabilita.

 

LA FINE DEL DETERMINISMO E LA MECCANICA QUANTISTICA

All’inizio del Novecento, quando vennero scoperti alcuni fenomeni che non potevano essere spiegati con le teorie fisiche note, la visione deterministica e meccanicistica del Cosmo iniziò a vacillare.

In un primo momento vi fu Einstein che pose in evidenza come, alle grandi velocità, le leggi di Newton perdevano di validità; poi vi fu tutta una serie di questioni, riguardanti la natura della radiazione e della materia, che fecero dubitare della bontà delle teorie correnti. Queste nuove scoperte finirono per mettere in crisi la fisica del tempo e di conseguenza l’idea deterministica che da essa derivava.

Il colpo di grazia definitivo alla fisica dell’Ottocento fu decretato da un evento inatteso conseguente alla scoperta che le particelle subatomiche, sulle quali i fisici stavano sperimentando, si muovevano in modo incontrollabile. Ci si rese allora conto che non sarebbe mai stato possibile misurare con la precisione desiderata le grandezze fisiche relative a quei piccoli corpi materiali e quindi non vi sarebbe nemmeno stato modo di determinarne, attraverso il calcolo, la traiettoria come si era invece potuto fare con i corpi di grosse dimensioni.

La fisica, allora, fu costretta a ricorrere a qualche cosa di meno rigido e inflessibile del determinismo newtoniano per spiegare il comportamento delle strutture di dimensioni atomiche o subatomiche. In questo modo nacque la meccanica quantistica, una teoria che descrive il moto degli oggetti molto piccoli in termini probabilistici. Vediamo quali siano state le considerazioni che condussero alla formulazione della medesima.

Per capire come si sia pervenuti alla meccanica quantistica bisogna partire da una osservazione che può sembrare banale. Essa è la seguente: “Per conoscere il valore di una grandezza fisica bisogna misurarla”. Ma per misurare una grandezza fisica (ad esempio la temperatura) relativa ad un determinato oggetto materiale non è sufficiente avvicinarsi a questo: è necessario interferire direttamente e intimamente con esso. Occorre cioè toccare materialmente l’oggetto sul quale deve essere presa la misura con uno strumento che ha il compito di trasferire l’informazione dall’oggetto stesso all’occhio dell’osservatore. Se questa operazione non si può fare, non sarà nemmeno possibile dire alcunché sulle caratteristiche di quell’oggetto.

La fisica classica ammetteva, a priori, che si potesse sempre effettuare qualsiasi misura su qualsiasi oggetto e che questa operazione non avrebbe turbato in alcun modo lo stato fisico dell’oggetto sul quale la misura stessa veniva eseguita. Ma quando da corpi di grandi dimensioni si passò allo studio degli oggetti di dimensioni atomiche e subatomiche ci si rese conto che ciò non poteva più essere vero. Per convincerci riflettiamo sul seguente esperimento mentale (o virtuale).

Si immagini di dover determinare la posizione e la velocità di un elettrone in un determinato istante per poterne poi descrivere la traiettoria futura in base alle leggi di Newton. E’ evidente che per prendere una misura su questo come su un qualsiasi altro oggetto è indispensabile innanzi tutto vederlo; ma per vedere un oggetto è necessario illuminarlo. Nel caso dell’elettrone, trattandosi di un oggetto di dimensioni estremamente piccole, sarebbe sufficiente anche un solo fotone per renderlo visibile. Però il fotone poiché è anch’esso una particella (o comunque un “quantum” di energia che si comporta come si comportano le particelle) di dimensioni quasi simili a quelle dell’elettrone, quando colpisce quest’ultimo lo sposta dalla sua posizione in modo determinante, come avverrebbe per una biglia che ne colpisse un’altra più o meno delle sue stesse dimensioni. Allora l’elettrone spostato dal fotone che lo ha investito, non potrà più seguire la traiettoria sulla quale stava viaggiando e quindi, in una eventuale successiva rilevazione, lo si osserverà in una posizione che è stata determinata dall’atto della prima misurazione e non dalla sua naturale e primitiva tendenza.

In conclusione, a causa delle particolari proprietà della natura, dobbiamo purtroppo rinunciare alla possibilità di determinare con precisione assoluta e nel dettaglio la struttura intima della materia. Ad esempio, come possiamo fare per sapere come si sposti nello spazio un elettrone, se non riusciamo nemmeno ad illuminarlo senza modificarne lo stato fisico?

 

IL PRINCIPIO DI INDETERMINAZIONE

L’impossibilità di effettuare una misura su di una particella di piccolissime dimensioni, senza perturbarne lo stato, prende il nome di «principio di indeterminazione»; esso venne formulato nella sua interezza e rigore matematico dal fisico tedesco Werner Heisenberg all’inizio del secolo scorso. A causa di questo principio, l’unica possibilità di descrivere il moto delle particelle di piccole dimensioni è quella di ricorrere al metodo statistico. Questo è un modo di indagare la struttura della materia che se da un lato presenta il vantaggio di rendere superflua la conoscenza esatta della posizione iniziale di ogni singola particella, dall’altro non è nemmeno più in grado di precisarne la posizione futura.

La meccanica quantistica, e il concetto stesso di probabilità che essa include, porta ad alcune conseguenze molto strane che vengono normalmente illustrate ricorrendo ad un esperimento concettuale noto con il nome di “paradosso del gatto di Schrödinger”. Vediamo di che cosa si tratta.

Immaginiamo di rinchiudere un gatto in una scatola opaca insieme ad una fiala di cianuro. La scatola contiene anche un atomo di una sostanza radioattiva il quale, nel momento in cui si disintegrerà, metterà in movimento un martello che romperà la fiala contenente il veleno il quale ucciderà il gatto.

Come tutti sanno, le sostanze radioattive si trasformano in sostanze non radioattive, emettendo dai loro nuclei raggi , cioè fasci di nuclei di elio costituiti da due protoni e due neutroni; raggi β,formati da fasci di elettroni; raggi γ, cioè radiazioni elettromagnetiche di altissima energia, secondo una legge probabilistica (del tipo di quella suggerita dalla meccanica quantistica) che ci consente di prevedere la vita media di un insieme di atomi, ma non la durata della vita di un singolo atomo. Di un singolo atomo radioattivo, quindi, non potremo mai conoscere il destino, ma solo la probabilità che, in un determinato istante, esso si sia trasformato in un altro atomo non radioattivo. E’ un po’ quello che succede per gli uomini dei quali non siamo in grado di dire quando un singolo individuo morirà, ma solo qual è la probabilità, che ad una certa età, quel determinato individuo possa morire.

La probabilità di un evento, in meccanica quantistica, è descritta da un’equazione matematica detta «funzione d’onda». Immaginiamo allora che la soluzione di questa equazione, applicata al caso del nostro atomo radioattivo, indichi che dopo un’ora dall’inizio dell’esperimento esista il 60% di probabilità che l’atomo radioattivo sia decaduto in un altro non radioattivo mentre per il restante 40% sia ancora rimasto intatto.

Passata un’ora dal momento in cui il gatto è stato rinchiuso nella scatola insieme alla fiala piena di veleno e al martello che verrà azionato dal decadimento dell’atomo radioattivo, il felino sarà morto o sarà ancora vivo? Si potrebbe rispondere che vi è una maggiore probabilità che sia morto piuttosto che sia ancora vivo, tuttavia la certezza dell’uno o dell’altro evento non c’è. L’unico modo per sapere con sicurezza come stanno le cose è quello di aprire la scatola e guardare. Il destino del gatto, chiuso nella scatola, sembra quindi dipendere dal nostro comportamento.

Ammettiamo che, all’apertura della scatola, si oda un miagolio con il quale il micio, a modo suo, ci esprime la gioia di essere ancora in vita. Che cosa dovremmo pensare? Naturalmente che l’atomo radioattivo non si è ancora trasformato, nonostante esista, in quel preciso istante, il 60% di probabilità del fatto contrario. Pertanto, l’osservazione del gatto è in qualche modo distruttiva dell’intero esperimento e ci porta a concludere che le cose in questo mondo esistono solo nel momento in cui le analizziamo di persona. I deterministi dell’Ottocento pensavano invece che il mondo avrebbe continuato ad esistere anche qualora gli avessimo, per così dire, voltato le spalle.

La stranezza di tutta la questione nasce dal fatto che abbiamo collegato un fenomeno di natura quantistica (il decadimento dell’atomo radioattivo) con un fenomeno classico (il gatto vivo o morto). Il primo fenomeno può essere trattato solo in termini probabilistici, mentre il secondo, ovviamente, deve essere visto in termini deterministici. In altre parole, mentre nel mondo quantistico possono coesistere due stati diversi della materia (per esempio, atomo integro e atomo decaduto), nel mondo classico può esistere uno solo dei due stati possibili (per esempio, gatto vivo o gatto morto).

Ora però, il gatto chiuso in una scatola, il cui destino è collegato ad un fenomeno di natura quantistica, diventa anch’esso un sistema quantistico del quale possiamo conoscere solo la probabilità del suo destino, non la certezza. Il nostro povero gatto si troverà quindi, per tutto il tempo in cui rimarrà chiuso nella scatola, in una situazione inverosimile di vita/morte.

In definitiva, poiché per sapere se il gatto di Schrödinger è effettivamente vivo o morto bisogna aprire la scatola entro la quale era stato riposto, dobbiamo dedurre che, in un sistema quantistico, la trasformazione di una situazione di incertezza in una di certezza si ottiene solo nel momento in cui l’informazione, relativa al sistema quantistico, si presenta alla mente di un osservatore.

Quindi, come dice anche Eugene Wigner, un fisico americano profondo conoscitore della teoria dei quanti, il paradosso del gatto nella scatola sta nel fatto che lo sperimentatore, guardando il gatto, costringe, in un certo senso, l’atomo radioattivo a prendere una decisione e cioè a stabilire se rimanere così com’è o trasformarsi in un atomo di altro tipo.

La metafora del gatto di Schrödinger è diventata il simbolo dell’intervento umano nel mondo quantistico: un determinato fenomeno non è tale in sé, ma dipende dal nostro intervento. Sembrerebbe quasi, da quanto abbiamo detto, che se non esistesse l’uomo non esisterebbe nemmeno l’Universo con i suoi fenomeni, in quanto abbiamo visto che la realtà emerge dal limbo dell’indeterminazione solo nel momento in cui qualcuno la osserva. Vediamo ora di trasferire questa interpretazione della meccanica quantistica all’Universo nel suo insieme.

 

ORIGINE ED EVOLUZIONE DELL’UNIVERSO 

Poniamoci innanzi tutto la seguente domanda: il nostro Universo ha avuto effettivamente un’origine o esiste da sempre? Non è facile rispondere, tuttavia oggi la scienza propende per la prima delle due ipotesi anche perché vi sono molte osservazioni che indirizzano in tal senso. Tutte queste osservazioni concordano poi con una legge di carattere generale che va sotto il nome di “secondo principio della termodinamica”.

Questa legge afferma che il disordine dell’Universo è in continuo aumento. Qualsiasi cosa succeda (il realizzarsi di un fenomeno naturale, oppure una trasformazione controllata dall’uomo) avviene producendo una certa quantità di disordine che si va ad accumulare nell’ambiente e, anche quando sembra che si stia producendo ordine, in realtà si sta generando ulteriore disordine.

Spesso accade che l’uomo e la natura stessa producano ordine. Per esempio la costruzione di una casa o la nascita di un bambino rappresentano altrettante strutture ordinate che scaturiscono dal disordine; tuttavia la creazione di ordine in una zona limitata dell’Universo comporta tutta una serie di interventi che inducono ad un aumento del disordine da qualche altra parte. E quando si vanno a fare i conti, si scopre che il disordine prodotto per creare l’ordine è sempre in misura molto maggiore dell’ordine che si è realizzato. L’Universo evolve quindi in modo irreversibile, procedendo irrimediabilmente dall’ordine verso il disordine e non vi è modo alcuno di farlo tornare indietro.

Per quantificare il disordine i fisici hanno introdotto una grandezza matematica chiamata entropia. L’entropia è una forma di energia che tuttavia ha la particolarità di non poter essere utilizzata. Essa, in altre parole, è energia con la quale non è possibile produrre alcunché: potremmo anche considerarla una specie di energia di rifiuto. E’ evidente che a forza di cambiare continuamente la sua forma e le sue strutture alla fine, nell’Universo, non vi sarà che entropia e con questa forma di energia non si potrà più compiere alcun cambiamento: l’Universo si troverà immerso in un mare uniforme di energia inutilizzabile. I fisici chiamano questa situazione la “morte termica dell’Universo”.

Se tutto questo è vero, l’Universo finirà privo delle sue strutture ordinate: in esso non esisteranno più realtà come le stelle, i pianeti, la vita. Il Sole, ad esempio, quando avrà finito di “bruciare” la materia di cui è composto si spegnerà per sempre. La fine del Sole, d’altra parte, fa pensare che un giorno esso sia nato: infatti non può essere lì da sempre a bruciare imperterrito il combustibile di cui è costituito. E come il Sole così anche le altre stelle consumano la materia di cui sono composte e di conseguenza anch’esse devono essere nate in un lontano passato e un giorno si spegneranno.

Questo insieme di osservazioni fanno ritenere che l’Universo non possa esistere da sempre perché, se così fosse, sarebbe ormai saturo di entropia da un tempo infinito. Ma vi è anche un’altra osservazione che fa dubitare che l’Universo non possa esistere da sempre, né che potrà continuare ad esistere per sempre.

Dai tempi di Newton sappiamo che i corpi si attirano con una forza che è proporzionale alla loro massa e pertanto tutti i pianeti, tutte le stelle e tutte le galassie dovrebbero precipitare gli uni sugli altri. Noi sappiamo però che i pianeti girano intorno al Sole producendo una forza centrifuga che compensa quella che li attrae verso l’astro centrale e ciò impedisce loro di cadere nel Sole. Allo stesso modo le galassie ruotano intorno al loro asse creando una forza che impedisce alle stelle di cadere le une sulle altre. Forse che anche l’Universo nel suo insieme ruota intorno a qualche cosa? Sembra proprio di no. E allora come fanno le galassie a non attrarsi fra di loro fino a precipitare le une sulle altre?

Per secoli l’uomo ha tentato inutilmente di dare una risposta a questo quesito. Finalmente negli anni venti del secolo appena trascorso l’astronomo americano Edwin Hubble scoprì che le galassie si allontanano le une dalle altre come sospinte da una forza conseguente ad una esplosione primordiale. Si allontaneranno per sempre? Se ciò è possibile è però altrettanto possibile che un giorno l’espansione si arresti e cominci il movimento opposto. Tuttavia, se vi sono due possibilità per il futuro dell’Universo, per il passato vi è un’unica possibilità. Un giorno lontano le galassie erano concentrate in uno spazio minore e all’inizio dei tempi forse erano concentrate addirittura in un punto, in una situazione eccezionale che i fisici chiamano “singolarità”.

I fatti sembrano quindi suggerire che l’Universo non sia eterno, ma che abbia avuto un inizio. Come è avvenuto questo inizio? Secondo le più recenti teorie, il nostro Universo dovrebbe essere nato dal nulla a seguito di una fluttuazione quantistica del vuoto: parole misteriose, che cosa significano?

Il vuoto, nell’ambito della teoria quantistica, ha un significato del tutto diverso da quello che aveva (ed ha ancora) nella fisica classica. Per quest’ultima il vuoto è l’equivalente del nulla, cioè di un contenitore privo di contenuto. Un recipiente senza niente dentro, nemmeno l’aria, è un recipiente vuoto. Per la meccanica quantistica invece il nulla in assoluto non esisterebbe perché vi sarebbe sempre la possibilità, in ogni luogo e in ogni tempo (quindi anche in quello che la fisica classica ritiene essere il vuoto più assoluto) di vedere comparire qualche cosa all’improvviso, e senza una ragione plausibile. La meccanica quantistica, come abbiamo visto, è dominata dal principio di indeterminazione, cioè da quella legge di natura secondo la quale nulla può essere definito con assoluta certezza (nemmeno la cosa più ovvia) perché in realtà nulla è assolutamente impossibile, anche ciò che nei fatti sembrerebbe estremamente improbabile (come vincere i milioni del Superenalotto).

Il vuoto assoluto quindi non esisterebbe perché, anche dove riteniamo non possa esserci nulla di concreto (in pratica né materia né energia) vi sarebbe pur tuttavia sempre una potenzialità, cioè una generica disponibilità del nulla a concretizzarsi in qualche cosa di reale, per esempio in una particella di dimensioni infinitamente piccole o in un soffio impercettibile di energia. Materia ed energia, come sappiamo, sono due entità intercambiabili nel senso che se c’è l’una è come se ci fosse l’altra e viceversa.

Abbiamo detto che l’energia (e la materia) può fluttuare comparendo e scomparendo all’improvviso e velocemente, e comunque senza dare il tempo allo sperimentatore di misurarla. In questo modo non verrebbero contraddette le leggi fondamentali della fisica che parlano della conservazione della materia e dell’energia.

Sulla base di queste premesse, i fisici ritengono che l’Universo possa essere comparso dal vuoto quantistico, cioè in pratica dal nulla, in seguito a una casuale fluttuazione energetica. Anzi, all’interno di questa ipotesi, gli Universi esistenti potrebbero essere in gran numero e forse addirittura infiniti e moltissimi potrebbero essere anche quelli che si stanno formando attualmente.

Una volta comparso dal nulla, come abbiamo detto, il neonato Universo avrebbe dovuto scomparire immediatamente. Le leggi della fisica prevedono però che le particelle quantistiche virtuali, cioè quelle che compaiono all’improvviso per poi scomparire altrettanto rapidamente, possano permanere e concretizzarsi in particelle reali. La stessa cosa potrebbe essere capitata al nostro Universo primordiale il quale, subito dopo essere emerso dal nulla, si sarebbe espanso ed arricchito di materia e di energia attraverso un processo fisico previsto da un insieme di moderne teorie dette Teorie di Grande Unificazione (GUT). Questo evento, a cui è stato dato il nome di “inflazione”, è stato descritto per la prima volta dal fisico americano Alan Guth. Esso prevede la dilatazione fulminea della particella quantistica originaria in seguito alla rottura spontanea della simmetria che la caratterizzava.

Nella particella primordiale, quella nata dal nulla e destinata a diventare il nostro Universo, spiega Guth, sarebbe avvenuto qualche cosa di simile a ciò che avviene quando l’acqua diventa ghiaccio. In questo caso il passaggio di stato è prodotto dell’abbassamento della temperatura e l’acqua, da una struttura disordinata e altamente simmetrica (cioè identica in ogni direzione) qual è appunto la sua quando si trova allo stato liquido, passa a ghiaccio cioè ad una struttura cristallina ordinata e quindi asimmetrica. Il passaggio di stato comporta liberazione di energia che si origina direttamente dall’acqua nel momento stesso in cui questa cambia di stato fisico. In un certo senso questa energia viene solo concessa in prestito all’ambiente, in quanto è destinata a rientrare nella sostanza che l’ha generata, nel momento in cui il ghiaccio si dovesse trasformare nuovamente in acqua liquida.

Qualche cosa di simile sarebbe accaduto al nostro Universo subito dopo la sua comparsa sotto forma di particella quantistica. Questa particella molto speciale sarebbe stata nel momento della sua apparizione, un condensato di energia indifferenziata, quindi di qualche cosa di altamente caotico e simmetrico, in cui tutte le entità che caratterizzano l’Universo attuale, cioè particelle, forze, tempo e spazio non erano ancora distinguibili le une dalle altre.

All’improvviso si ruppe questa simmetria e si liberarono enormi quantità di energia che in parte servirono per fare espandere l’Universo e in parte per concretizzare materia ed energia nelle forme che oggi conosciamo. L’espansione dell’Universo fu rapidissima e di entità inimmaginabile. In un attimo esso assunse dimensioni di 50 ordini di grandezza superiori a quelle iniziali: fu come se una particella più piccola di un elettrone assumesse, all’improvviso, le dimensioni della nostra galassia.

 

IL PRINCIPIO ANTROPICO

Se ora analizziamo attentamente le leggi fisiche che descrivono i fenomeni naturali ci convinciamo facilmente che queste leggi non potrebbero essere molto diverse da quelle che sono, senza che peraltro ne siano sconvolti i delicati equilibri presenti nell’Universo. La forza di gravità ad esempio è molto debole, soprattutto se paragonata alla forza forte, quella che agisce fra i quark e fra i protoni e i neutroni presenti nel nucleo atomico.

Se la forza gravitazionale fosse stata solo un poco più forte di quello che è, l’Universo sarebbe stato molto più piccolo e soggetto ad una evoluzione molto rapida; le stelle avrebbero consumato il loro combustibile in tempi molto brevi, la vita non avrebbe avuto il tempo per svilupparsi e l’umanità non esisterebbe. Se viceversa la forza di gravità fosse stata, anche di poco, più debole di com’è, la materia non si sarebbe condensata in stelle e galassie e l’Universo sarebbe freddo e rarefatto.

Lo stesso discorso vale per altre grandezze fisiche. Se ad esempio la forza forte fosse solo un po’ più debole di quanto è in realtà, l’unico elemento stabile nel nostro Universo sarebbe l’idrogeno e non esisterebbero tutti gli altri, compreso il carbonio che è quello fondamentale per la vita. Se d’altra parte la forza forte fosse leggermente più forte rispetto alle altre che agiscono sulla materia diverrebbe stabile il diprotone, cioè un nucleo atomico formato di due protoni: l’idrogeno allora non potrebbe esistere e di conseguenza non si potrebbero formare nemmeno le stelle e le galassie.

Che cosa significa tutto ciò? Significa che il nostro Universo è una struttura molto improbabile e che la vita stessa può svilupparsi solo se emergono determinate condizioni. Questa affermazione prende il nome di “principio antropico”: In base ad esso possiamo affermare che noi esistiamo e siamo qui ad osservare l’Universo proprio perché esso ha queste particolari caratteristiche.

Come abbiamo fatto notare poc’anzi, potrebbero in realtà esistere, insieme al nostro, moltissimi altri Universi, tutti differenti fra loro e indipendenti l’uno dall’altro, ognuno dei quali con proprie leggi e propri parametri fisici. Non esistono infatti ragioni a priori per cui le leggi fisiche che regolano il comportamento della materia nel nostro Universo debbano essere necessariamente quelle che sono. Leggi diverse da quelle che sperimentiamo giornalmente potrebbero benissimo esistere, ma darebbero luogo a Universi diversi, e comunque senza vita (almeno per come intendiamo noi la vita). La vita, e in particolare la vita intelligente, si può infatti sviluppare solo se le leggi fisiche rispondono a requisiti precisi ed appropriati.

Esisterebbero quindi tanti Universi di cui però uno solo osservabile: ovvero solo nel nostro Universo esisterebbe qualcuno in grado di compiere osservazioni. Come nel caso della meccanica quantistica abbiamo fatto osservare che per descrivere un fenomeno è indispensabile interagire con esso, per cui non ha senso parlare di fenomeni dei quali non sia possibile cogliere la misura, allo stesso modo possiamo affermare che i fenomeni che si realizzano nell’Universo non avrebbero senso (cioè, in pratica, non esisterebbero) se non vi fossero gli uomini ad osservarli.

Non è detto che fra i tanti Universi possibili non ve ne possa essere qualcuno identico al nostro, nel quale si sarebbero realizzate le condizioni che hanno portato alla nascita della vita intelligente. Potrebbero esistere in teoria tanti altri Universi come il nostro, ma sarebbe come se non ci fossero in quanto risulterebbe comunque impossibile mettersi in contatto con essi. Sappiamo infatti che qualsiasi messaggio non può uscire dal luogo in cui viene prodotto: così ad esempio la luce, che è il segnale più veloce che esista, si incurva lungo il percorso a causa della presenza della materia, ragion per cui nemmeno essa potrà mai uscire dall’Universo nel quale è stata generata.

I limiti del principio antropico sono evidenti. Secondo alcuni esso non spiegherebbe nulla trattandosi di semplice tautologia: “Il mondo in cui viviamo è il mondo in cui viviamo”. Per altri non avrebbe senso parlare di altri Universi, diversi o anche uguali al nostro, se poi tutti questi Universi, per definizione, non sono osservabili. Infine, da un punto di vista strettamente scientifico, il principio antropico deve essere respinto semplicemente perché non vi è modo di sottoporlo a verifica. Di esso, in altre parole, non saremo mai in grado di dimostrare sperimentalmente né che sia giusto, né che sia sbagliato.

Prof. Antonio Vecchia

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